Bien qu’elle soit la pierre angulaire de la thermodynamique, l’entropie reste l’un des concepts les plus délicats à enseigner en classe aux physiciens en herbe. En conséquence, de nombreuses personnes simplifient à l’extrême le concept en le décrivant comme la quantité de désordre dans l’univers, négligeant sa nature quantitative sous-jacente.
Dans Le professeur de physique, le chercheur T. Ryan Rogers a conçu un modèle portatif pour démontrer le concept d’entropie aux étudiants. En utilisant des matériaux du quotidien, l’approche de Rogers permet aux étudiants d’affronter le sujet avec une nouvelle intuition, celle qui vise spécifiquement la confusion entre entropie et désordre.
« C’est un énorme obstacle conceptuel », a déclaré Rogers. « La bonne nouvelle est que nous avons constaté que c’est quelque chose que vous pouvez corriger relativement facilement dès le début. La mauvaise nouvelle est que ce malentendu est enseigné très tôt. »
Alors que de nombreuses classes optent pour le raccourci imparfait et qualitatif consistant à appeler l’entropie « trouble », celui-ci est défini mathématiquement comme le nombre de façons dont l’énergie peut être distribuée dans un système. Une telle définition exige simplement que les étudiants comprennent comment les particules stockent l’énergie, officiellement appelées « degrés de liberté ».
Pour résoudre ce problème, Rogers a développé un modèle dans lequel de petits objets tels que des dés et des boutons sont versés dans une boîte, reproduisant ainsi un système thermodynamique simple. Certaines particules dans la boîte densément remplie sont emballées sur place, ce qui signifie qu’elles ont moins de degrés de liberté, ce qui conduit à un système global à faible entropie.
Lorsque les élèves secouent la boîte, ils introduisent de l’énergie dans le système, ce qui libère les particules emprisonnées. Cela augmente le nombre total de façons dont l’énergie peut être distribuée dans la boîte.
« Essentiellement, vous zoomez sur l’entropie pour que les étudiants puissent dire : ‘Aha ! C’est là que j’ai vu l’entropie augmenter' », a déclaré Rogers.
À mesure que les élèves tremblent davantage, les particules se déposent dans une configuration qui répartit plus uniformément l’énergie entre elles. Le hic : à ce point d’entropie élevée, les particules s’alignent de manière ordonnée.
« Même si l’orientation semble plus ordonnée, l’entropie est en réalité plus élevée », a déclaré Rogers.
Tous les étudiants qui ont participé à la leçon ont pu raisonner sur la définition correcte de l’entropie après l’expérience.
Ensuite, Rogers prévoit d’étendre la portée du modèle en entamant une conversation sur l’entropie avec d’autres éducateurs et en créant un guide d’activités plus large sur les façons d’utiliser les kits de la maternelle au collège. Il espère que son travail inspirera d’autres personnes à clarifier la distinction dans leurs salles de classe, même si ce n’est qu’en bricolant.
« Les raisins et les crackers Cheez-It sont également très efficaces », a déclaré Rogers.
Le article« Hands-on Model for Investigating Entropy and Disorder in the Classroom », est rédigé par T. Ryan Rogers et publié dans Le professeur de physique.
Plus d’information:
T. Ryan Rogers, modèle pratique pour enquêter sur l’entropie et les troubles en classe, Le professeur de physique (2023). DOI : 10.1119/5.0089761